CH630961A5 - Verfahren zur aetzbehandlung eines koerpers mittels eines plasmas und nach dem verfahren hergestellte vorrichtung. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung bei dem ein Körper einer Ätzbehandlung ausgesetzt wird, wobei Teile einer zu ätzenden Oberfläche des Körpers mit einer Photolackmaske versehen werden und die nicht von der Maske bedeckten Teile der Oberfläche in einem Plasma, das in einer Gasatmosphäre niederen Druckes aufrechterhalten wird, zum Erhalten eines Ätzmusters mit gewünschten Abmessungen geätzt werden, und auf eine Vorrichtung hergestellt mit Hilfe des Verfahrens.
Ein Verfahren der eingangs erwähnten Art ist bekannt aus der US-PS 3 795 557 und wird beispielsweise angewendet bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen.
Das Plasma-Ätzverfahren hat den bekannten Nassätzver-fahren gegenüber den Vorteil, dass das Unterätzen des Körpers unter die Maskenränder und zwangsläufig auch der durch die Unterätzung bestimmte Verlauf des Ätzprofils vermieden werden kann.
Sowohl beim Plasma-Ätzverfahren, bei dem keine Unterätzung aufzutreten braucht, wie beim Nassätzverfahren, bei dem ein kreisförmiges Ätzprofil auftritt, kann das Ätzprofil am oberen Rand einen rechten Winkel aufweisen.
Die Bildung eines rechten Winkels am oberen Rand des Ätzmusters hat den Nachteil, dass bei einem folgenden Aufbringen von Schichten, aus denen z.B. Leiterbahnen gebildet werden sollen, an den scharfen Kanten Unterbrechungen u. dgl. auftreten können.
Mit der Erfindung wird unter anderem beabsichtigt, den erwähnten Nachteil wenigstens in erheblichem Masse zu vermeiden.
Die Erfindung stützt sich unter anderem auf den Gedanken, dass in einem Plasma-Ätzverfahren Ätzmuster mit gleichmässig schrägen Kanten erhalten werden können, wenn die Ätzmaske von ihren Öffnungen aus schneller geätzt wird als der zu ätzende Körper.
Das eingangs erwähnte Verfahren ist nach der Erfindung deshalb dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen mit der Photolackmaske zu versehenden Oberflächenteile so gewählt werden, dass sie die gewünschten Abmessungen des zu erhaltenden Musters um die Breite eines gleichmässigen Streifens übertreffen, dass die Reaktionsbedingungen unter welchen das Plasma-Ätzen stattfindet, derart gewählt werden, dass die Photolackmaske in lateraler Richtung schneller als die unbedeckten Teile der Oberfläche des Körpers durch das Plasma angegriffen wird und dass das Ätzen bis zum Erreichen der gewünschten Abmessungen des Ätzmusters fortgesetzt wird.
Es kann gezeigt werden, dass das Ätzprofil mit dem erfin-dungsgemässen Verfahren keine rechten Winkel an den Rändern des Ätzmusters aufweist, sondern dass der Sinus des Winkels a den die schräge Kante des Ätzprofils mit der Oberfläche bildet, gleich dem Verhältnis der Ätzrate des Körpers und der lateralen Ätzrate der Maske ist.
Es hat sich gezeigt, dass der letztgenannte Winkel sich an der Oberfläche relativ rasch einstellt, wobei das schräge Ätzprofil nach unten kreisförmig ausläuft.
Lässt sich eine Schicht des Körpers selektiv in bezug auf ein darunterliegendes Substrat ätzen, so breitet sich das schräge Profil nach dem Durchätzen der Schicht auf die ganze Schichtdicke aus.
Beim Ätzen von Schichten versteht man unter gewünschten Abmessungen die Abmessungen am Fuss der geätzten Schicht. In dem erwähnten Falle, in dem eine Schicht der Dicke D des Körpers in bezug auf ein unterliegendes Substrat selektiv durchgeätzt wird, wird vorzugsweise die Breite b des erwähnten Streifens wenigstens gleich DTG a gewählt.
Die letztgenannte Bedingung deutet eine Streifenbreite an, mit der in einer minimalen Ätzzeit das erfindungsgemässe Verfahren unter Beibehaltung der erwähnten Vorteile ausgeführt werden kann.
Dies gewährleistet einen nahezu konstanten Neigungswinkel über das gesamte Ätzprofil.
Es ist klar, dass die Photolackschicht nicht vor Beendigung des Ätzprozesses durchgeätzt sein darf.
Vorzugsweise wird die Dicke d der Photolackmaske wenigstens gleich dem Verhältnis der zweifachenDicke D der zu ätzenden Schicht und dem Sinus des doppelten Neigungswinkels a gewählt.
Im allgemeinen wird am Ende des Ätzens noch eine Photolackmaske erheblicher Dicke auf der Oberfläche zurückbleiben.
Vorzugsweise wird nach dem Ätzen die verbleibende Photolackmaske in einem an den Ätzvorgang anschliessenden Arbeitsvorgang mittels einer Änderung der Reaktionsbedingungen gelöst.
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Ein derartiger Lösungsvorgang lässt sich leicht und vollständig durchführen.
Für das erfindungsgemässe Verfahren können aus der Plasma-Technik bekannte Arbeitsweisen verwendet werden.
So wird Photolack in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre und eine zu ätzende Schicht, z.B. aus Polysilicium oder Siliciumnitrid, ebenso in einer geeigneten, bzw. wenigstens ein Halogen enthaltenden Atmosphäre gelöst bzw. geätzt.
Vorzugsweise wird das Verhältnis der Ätzraten der Photolackmaske und des Körpers gesteuert durch das Verhältnis der Konzentrationen von Sauerstoff und wenigstens einem Halogen in der Gasatmosphäre.
Damit ist eine schnelle Regelung des Ätzratenverhältnisses möglich, die z.B. nützlich sein kann, wenn eine nicht konstante Neigung des Ätzprofils gewünscht wird.
Vorzugsweise wird das Verhältnis der Ätzraten der Photolackmaske und des Körpers gesteuert durch Wahl der Temperatur des Plasmas.
Die Aktivierungsenergie des Lösens des Photolackes ist oft grösser als die des Ätzens. Durch eine Temperaturerhöhung kann man z. B. am Ende des Ätzverfahrens an der Oberfläche des Körpers noch eine gewisse Abrundung bekommen.
Die Erfindung wird mit den folgenden Beispielen an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen
Fig. 1 und 2 schematisch im Querschnitt einen Teil eines Halbleiterbauelementes in verschiedenen Phasen seiner Herstellung mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens.
Die Fig. 1 zeigt einen Körper 1, wobei Teile 5 einer zu ätzenden Oberfläche des Körpers mit einer Photolackmaske 6 versehen werden und die nicht von der Maske 6 bedeckten Teile 7 der Oberfläche in einem Plasma, das in einer Gasatmosphäre aufrechtehalten wird, geätzt werden. Durch ein solches Ätzverfahren kann ein Ätzmuster mit gewünschten Abmessungen erhalten werden.
Erfindungsgemäss werden die Abmessungen der mit der Photolackmasse 6 zu versehenden Oberflächenteile 5 so gewählt, dass sie die gewünschten Abmessungen des zu erhaltenen Musters um die Breite eines gleichmässigen Streifens 8 übertreffen (siehe Fig. 2).
Dabei werden die Reaktionsbedingungen, unter welchen das Plasma-Ätzverfahren stattfindet, derart gewählt, dass die Photolackmaske in lateraler Richtung schneller als die unbedeckten Teile der Oberfläche des Körpers 1 durch das Plasma angegriffen wird.
Das Ätzen wird fortgesetzt, bis die gewünschten Abmessungen des Ätzmusters erreicht sind.
Wenn dabei eine Schicht 4 der Dicke D des Körpers 1 in bezug auf ein darunterliegendes Substrat 2 selektiv geätzt wird, wird die Breite b des Streifens 8 wenigstens gleich Dtg a gewählt, a ist der Neigungswinkel des gewünschten Ätzprofils.
Die Dicke d der Photolackmaske 6 wird wenigstens gleich dem Verhältnis der zweifachen Dicke D der zu ätzenden Schicht 4 und dem Sinus des doppelten Neigungswinkels a gewählt.
Das Ergebnis des Ätzens ist in Fig. 2 dargestellt, in der mit 3 die schräge Kante bezeichnet ist, die einen Winkel a mit der Oberfläche einschliesst mit sin a = worin R die Ätzrate der Schicht, bzw. des Körpers und r = die Ätzrate der Photolackmaske bedeuten.
Das zum Ätzen verwendete Plasma wird auf übliche Weise dadurch erhalten, dass eine in einem Reaktor befindliche Gasatmosphäre niederen Druckes (0,27-6,65 mbar), einem kapazitiv oder induktiv erzeugten Hochfrequenzfeld ausgesetzt wird.
In den Reaktor strömt ein Gasgemisch, das Sauerstoff und Halogen und gegebenenfalls ein Trägergas wie Argon oder Stickstoff enthält. Sauerstoff und Halogen können als solche oder als Verbindungen wie CF4, CClFs, C2F6, CsFs, C2CIF5 anwesend sein.
Das Verhältnis der Ätzraten der Photolackmaske und der Schicht bzw. des Körpers kann also durch das Verhältnis der Konzentrationen des Sauerstoffes und des Halogens im Reaktor gesteuert werden. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass man die reaktiven Gase über Nadelventile und Durchflussmesser im gewünschten Verhältnis in den Reaktor einströmen lässt. Vorher wird der Reaktor evakuiert auf einen Druck von etwa 0,133 mbar und der zu ätzende Körper mit der Photolackmaske bei etwa 2,66 mbar in einem Stickstoff-Plasma bis ca. 120°C aufgeheizt.
Anschliessend wird wieder bis 0,133 mbar evakuiert, ein Gasgemisch von molekularem Sauerstoff und Tetrafluorkohlenstoff eingelassen und mit einer Leistung von ca. 100 Watt bei ca. 0,67 mbar geätzt.
Zur Herstellung eines Ätzmusters mit schrägen Kanten wird z.B. eine Schicht aus Polysilicium geätzt zum Erhalten von Öffnungen für die Kontaktierung darunterliegender Schichten.
In der folgenden Tabelle sind die Neigung der Ätzprofile zusammengestellt, die erhalten werden beim Plasma-Ätzen von Polysilicium- und Siliciumnitridschichten, in Abhängigkeit der Verhältnisse der Gasmengen von Sauerstoff in Tetrafluorkohlenstoff.
Tabelle Neigung der Ätzprofile
Verhältnisse der Gasflüsse O2/CF4
Polysilicium
Siliciumnitrid
250/675
50°
300/600
65°
35°
375/550
30°
20°
450/500
10°
—
Die genannten Schichten befanden sich auf einem Substrat aus einer mit einer Siliciumoxidschicht versehenen Sili-ciumscheibe.
Die Polisilicium- und Siliciumnitridschichten wurden selektiv in bezug auf die Siliciumoxidschicht (etwa 5 bis 20mal rascher) geätzt. Bei den erwähnten Versuchen wurde eine Siliciumscheibe von 5 cm Durchmesser verwendet.
Erwünschtenfalls kann eine grosse Anzahl von Körpern, z.B. 30 oder mehr, gleichzeitig geätzt werden.
Ein Beispiel des Ätzens von Polysiliciumschichten mit einem Neigungswinkel a = 45° zeigen z.B. folgende Werte: D = 0,5 (im, b = 0,5 Jim, d = 1,0 (im, R = ca. 0,1 \xm/min und r = ca. 0,15 p.m/min.
Bei Siliciumnitridschichten, die mit gleichem Neigungswinkel geätzt werden, ist z.B. D = 0,1 (im, b = 0,1 p.m, d = 0,2 um, R = ca. 0,035 um/min und r = ca. 0,05 um/min. Sicherheitshalber wird oft die Dicke d der Photolackmaske um 30 bis 50% grösser gewählt als 2D .
sin 2a
Ein nach dem Ätzen zurückbleibender Teil der Photolackmaske kann in einem hauptsächlich Sauerstoff enthaltenden Plasma rasch entfernt werden. Als Material der Photolackmaske können handelsübliche Photolacke verwendet werden und zwar positive sowie negative Photolacke, z.B. Waycoat Typ 3.
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Die Reproduzierbarkeit des erfindungsgemässen Verfahrens ist ausgezeichnet.
Statt mit dem Verhältnis der Konzentrationen, bzw. der Strömungsmenge der Gase kann man das Ätzratenverhältnis auch mit der Temperatur steuern. Umgekehrt muss man zum Erhalten eines gleichen Ätzratenverhältnisses bei anderer Temperatur, die Konzentrationen bzw. die Strömungsmengen entsprechend anpassen.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die gegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
Mit dem Verfahren nach der Erfindung können z.B. MOS-Transistoren mit aus Polysilicium bestehenden Pforteelektroden hergestellt werden. Nebst Halbleiterbauelementen können auch piezoelektrische Bauelemente oder integrierte 5 Magnetköpfe mit diesem Verfahren hergestellt werden.
Ausser Körper, die aus einem Substrat und einer zu ätzenden Schicht bestehen, können auch homogene Körper z.B. zum Erhalten von Mesas, geätzt werden. Dieses Verfahren eignet sich weiter zur Ätzung von Metallschichten.
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1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
- 630 961PATENTANSPRÜCHE1. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, bei dem ein Körper einer Ätzbehandlung ausgesetzt wird, wobei Teile einer zu ätzenden Oberfläche des Körpers mit einer Photolackmaske versehen werden und die nicht von der Maske bedeckten Teile der Oberfläche in einem Plasma, das in einer Gasatmosphäre niederen Druckes aufrechterhalten wird, zum Erhalten eines Ätzmusters mit gewünschten Abmessungen, geätzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der mit der Photolackmaske zu versehenden Oberflächenteile so gewählt werden, dass sie die gewünschten Abmessungen des zu erhaltenden Musters um die Breite eines gleichmässigen Streifens betreffen, dass die Reaktionsbedingungen unter welchen das Plasma-Ätzverfahren stattfindet, derart gewählt werden, dass die Photolackmaske in lateraler Richtung schneller als die unbedeckten Teile der Oberfläche des Körpers durch das Plasma angegriffen wird und dass das Ätzen bis zum Erreichen der gewünschten Abmessungen des Ätzmusters fortgesetzt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht der Dicke D des Körpers in bezug auf ein darunterliegendes Substrat selektiv durchgeätzt und die Breite b des erwähnten Streifens wenigstens gleich Dtg a gewählt wird, wobei a den Winkel bedeutet, den die schräge Kante des Ätzprofils mit der Oberfläche bildet.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke d der Photolackmaske wenigstens gleich dem Verhältnis der zweifachen Dicke D der zu ätzenden Schicht und dem Sinus des doppelten Neigungswinkels a gewählt wird.
- 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ätzen die verbleibende Photolackmaske in einem an den Ätzvorgang anschliessenden Arbeitsvorgang mittels einer Änderung der Reaktionsbedingungen gelöst wird.
- 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Ätzraten der Photolackmaske und des Körpers durch das Verhältnis der Konzentrationen von Sauerstoff und wenigstens einem Halogen in der Gasatmosphäre gesteuert wird.
- 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Ätzraten der Photolackmaske und des Körpers durch Wahl der Temperatur des Plasmas gesteuert wird.
- 7. Vorrichtung, hergestellt mit Hilfe des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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